엔진이란 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치이며, 열에너지를 기계적인 에너지로 바꾸기 위해서는 작동물질이 필요하다. 가솔린 엔진에서는 작동물질을 혼합기라하며, 혼합기는 휘발유와 공기로 이루어 진다. 자동차에서는 혼합기를 흡입하여 압축한다. 압축된 혼합기에는 화염원인 스파크 플러그로 불꽃을 발생시켜 폭발을 일으키도록 하고 폭발에 의한 팽창력으로 기계적인 에너지를 발생시키는 것이다.
이 때 발생한 열에너지는 피스톤의 왕복운동에 의해 기계적인 일로 바꾸고, 다시 피스톤의 왕복운동은 커넥팅로드에 의해 회전운동으로 바뀌게 된다. 이러한 운동에너지의 변환은 연속적으로 이루어 지므로 가솔린엔진은 왕복형 싸이클엔진이라고 한다.
[왕복형 엔진의 작동]
연소실에서 압축된 혼합기가 폭발할 때 발생하는 힘이 피스톤을 밀어 주고 커넥팅로드를 통하여 전달된 이 힘은 크랭크축을 회전시킨다.(커넥팅로드는 피스톤의 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 전환 시킨다.)
1. 작동원리
1) 흡입행정 (Intake Stroke)
흡입밸브는 열려 있고 배기밸브는 닫혀 있는 상태에서 피스톤이 상사점에서 하사점으로 하강을 하면 실린더 내의 체적변화로 압력이 대기압 이하가 되면서 기화기(혹은 인젝터)에서 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 실린더 내로 흡입되어 진다.
2) 압축행정 (Compression Stroke)
흡입행정 완료 후 흡입, 배기밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 상승을 함에 따라 흡입된 혼합기는 압축되면서 압축압력과 압축열이 높아진다. 이 때 압축압력이 규정보다 낮으면 혼합기가 기화되지 못하여 불완전 연소가 일어날 수 있고, 규정보다 너무 높으면 압축열에 의해서 자기착화(自己着火)되어 출력저하를 가져오므로 적절한 범위의 압축압력이 필요하다.
압축행정시 적절한 압축압력 = 약 7~11 kg/㎠
3) 폭발행정(Explosion stroke)
압축행정이 완료되기 직전(피스톤이 압축을 위해 상사점에 도달하기 직전), 점화 플러그의 불꽃에 의해 압축된 혼합기가 폭발을 하게 되면 그 폭발력에 의해서 피스톤이 압력을 받아 하강하며 커넥팅로드를 통하여 크랭크축을 회전시킨다.
동력행정을 동력행정(Power Stroke) 또는 팽창행정(Expansion Stroke)이라고도 한다.
*동력행정에서 엔진의 성능에 지대한 영향을 주는 요소로는 스파크 플러그의 점화불꽃시기, 공기와 연료(휘발유)의 혼합비율, 압축압력 등이 있다.
4) 배기행정 (Exhaust Stroke)
흡입밸브는 닫혀 있고 배기밸브가 열려 있는 상태에서 피스톤이 상승(상사점 도달) 하게 되면 연소된 가스는 실린더 밖으로 배출된다.
위와같이 피스톤의 상하 왕복운동을 커낵팅로드(Con.Rod)에 연결된 크랭크 축(Crank Shaft)으로 회전시켜 그 회전력으로 플라이 휠(Fly Wheel)을 돌리면 구동전달장치를 통하여 바퀴에 전달된다.
엔진은 흡입, 압축, 폭발, 배기행정을 되풀이하여 크랭크 축이 회전하며 엔진의 2회전, 즉 4개의 행정으로 1사이클(Cycle)이 이루어지므로 4행정 엔진(4 stroke-cycle engine) 이라 한다. 일반적으로 4기통(Cylinder) 엔진의 경우에는 기통별 1-3-4-2의 순서대로 동력(폭발)이 발생하며 기통별 각각의 행정은 아래의 표와 같다.
기통(실린더) | 해 당 행 정 | 1 번 기통 | 흡입 | 압축 | 폭발 | 배기 | 2 번 기통 | 배기 | 흡입 | 압축 | 폭발 | 3 번 기통 | 폭발 | 배기 | 흡입 | 압축 | 4 번 기통 | 압축 | 폭발 | 배기 | 흡입 |
2. 사이클 스피드
일반적으로 자동차엔진은 1분간 약 4,000∼7,000회전하므로 1초에는 약 70∼110회전이라는 대단히 빠른 고속회전을 한다. 따라서 피스톤도 같이 1초간에 70∼110회의 왕복운동을 하고 피스톤이 상한 또는 하한에 이를때는 순간적으로 스피드가「0」가 되므로 피스톤은 사실 맹렬한 가감속을 하는 것이다.
3. 실린더 용적과 배기량
(Displacement Volume/Total Stroke Volume)
실린더 용적을 표시하는 배기량은 실린더내 피스톤 상사점(TOC : Top Dead Center)과 하사점(BDC : Bottom Dead Center)의 용적을 말하는데, 실린더의 단면적(Bore)에 스크로크(Stroke : 상사점과 하사점과의 거리)를 곱한 크기가 실린더 개당 배기량이며, 실린더의 수를 곱한 것이 총배기량이다. 단위는 cc 또는 리터(ℓ)로 나타낸다.
4. 압축비(Compression Ratio)
실린더 용적과 연소실 용적과의 관계로서(실린더용적 + 연소실용적) ÷ 연소실용적의 수치가 압축비이다. 보통 1대 8∼10정도가 일반적이다. 그러나 혼합기의 충전효율이 80∼90% 정도밖에 안되므로 압축비가 9라면 실제는 7.2∼8.1정도가 압축비라고 할 수 있다. 압축비가 높으면 어느 정도 성능향상을 이룰 수 있지만 지나치면 노킹(Knocking)이라는 현상이 발생한다. 이 압축비를 높혀 고출력을 얻는 장치로서 과급기(Turbo Charger)가 있다.
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※ 상사점(Top Dead Center) : 피스톤이 상하운동시 맨위에 위치한 상태
※ 하사점(Bottom Dead Center) : 피스톤이 상하운동시 맨아래에 위치한 상태
5. 최고출력(Maximum Power)
일반적으로 엔진성능의 포인트는 최고출력이며 마력으로 표시된다. 이것은 엔진회전수가 몇 회전일 때에 최고 몇마력이 되는가를 나타내는 것으로 1마력이란 1초간에 75kg의 물체를 1m 끌어 올리는 힘이다. 예를들어 100ps/500rpm」이라고 하면 엔진이 매분당 5000회전할 때 7.5톤의 물체를 1m 끌어 올린다고 할 수 있다.
출력은 토오크(Torque)와 엔진회전수를 같이 쓰지만 토오크는 배기량에 따라 어느정도까지 밖에 크게 되지 않는다.
파워는 회전수에 관계되지만 피스톤의 왕복 속도에 한계가 있어 어느 회전수를 넘으면 파워는 거꾸로 떨어지게 된다. 승용차용 엔진은 보통 5000∼7000회전이 한계이다. 또한 회전수가 한계이하이면 최고출력은 나올 수 없다. 그러나 통상 주행에서 최고 출력을 발생하는 회전영역은 거의 없다. 시가지주행에서는 보통 2500∼3000회전 밖에 쓰지 않으므로 100마력 엔진도 실제로는 50마력 전후밖에 활용되지 않고 있다. 기관별로 가솔린 기관이 1000∼2000rpm으로 대개 1500rpm에서 최고 출력이 되며 디젤 기관은 2000∼3000rpm으로 대개 2500rpm대에서 최고출력을 갖는다.
■ 마력
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엔진의 최고출력을 나타내는 단위로는 PS(불마력)를 쓰며, 1PS는 75kg의 물건을 1초동안에 1m 들어 올리는 힘,즉 1PS=75kgm/sec
실린더 안에서 연료가 연소하여 피스톤이 상하 운동을 하게 하는 힘을 지시마력이라 하고, 크랭크 축의 회전력에 의해 얻어진 마력을 실마력이라고 한다.
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6. 최대 토오크(Maximum Torque)
토오크는 회전력으로「kg·m/rpm」으로 나타낸다. 예를 들어「10kg·m / 3000rpm」이라면 엔진이 매분당 3000회전시 크랭크샤프트에 붙어 있는 1m 길이의 팔에 10kg의 힘을 가하는 것을 의미한다. 토오크는 각 실린더가 폭발하는 것으로 생기는데 폭발 압력을 실린더 용적의 크기와 흡기밸브의 수를 늘리거나 터보를 써 혼합기량을 증가시키거나 연소효율을 높여야 한다.
자동차용 엔진의 출력 측정 방법은 각국 공업규격마다 다르다. 이는 자동차엔진이 주행에만 관계되는 것이 아니라 발전기나 에어콘 압축기 등과도 관련되어 있고 엔진 자체도 냉각팬을 돌리거나 냉각수 펌프 등을 돌리기 때문이다. 또한 소음 방지를 위해 배기머플러나 에어 클리너 등을 부착하고 있어 흡입이나 배기효율이 떨어진다. 그러나 판매상 출력을 크게 표시하기 위해 카탈로그 상에는 엔진출력이 크게 되는 측정방법을 채용하기도 한다. 따라서 같은 엔진도 출력의 차이가 생긴다.
- SAE-Gross : 냉각팬, 발전기, 에어클리너, 머플러, 라디에이터 등을 모두
탈거하여 측정한다.
- SAE-Net : 라디에이터와 머플러만 탈거하여 측정한다.
- DIN : 라디에이터와 머플러도 붙이고 전동팬도 부착하여 측정한다.
참고 자료 : 한국교재개발 "자동차편람"
현대자동차 사이버정비교실
크라운출판사 "자동차공학"
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